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温度测量方法概述温度测量方法概述 温度是表征物体冷热程度的物理量 是国际单位制 SI 中七个基本物理量之一 它与 人类生活 工农业生产和科学研究有着密切关系 随着人类社会的不断进步和科学技术水平 的不断提高 温度测量技术也得到了不断的发展 温度测量方法有很多 也有多种分类 比如从测量时传感器中有无电信号可以划分为非 电测量和电测量两大类 从测量时传感器与被测对象的接触方式不同可以划分为接触式和非 接触式 等等 而每种测量方法中又有很多种类 如膨胀式温度计 热电偶温度计 热电阻 温度计 光学温度计和红外温度计等 近年来 随着技术水平的进步 出现了更多新的测试 方法 由于温度的测量方法多种多样 很难找到一种完全理想的分类方法 每种分类都只是侧 重于某些方面 本书将温度测量方法从测量原理上进行分类 目的是为根据测温需求进行选 择提供方便 本章首先对当前温度测量的方法作一个概述 为后面的章节作一些准备 然后对常用的 热电偶 热电阻和辐射测温法作一个较详细的介绍 其他的测温方法将在以后章节逐一介绍 1 11 1 温度测量方法简介 温度测量方法简介 图1 1是温度测量方法的一个分类 是从测量原理上进行分类的 图1 1 温度测量方法分类 1 1 1 接触式测温方法 将接触式测温方法分为膨胀式测温 电量式测温和接触式光电 热色测温等三大类 接 触测温法在测量时需要与被测物体或介质充分接触 测量的是被测对象和传感器的平衡温 度 在测量时除了会对被测温度有一定干扰外 还要保证传感器不与被测介质有化学反应 另外大多数接触式测量方法会存在导热误差 辐射误差等影响 1 1 1 1 膨胀式测温方法 膨胀式测温是一种比较传统的温度测量方法 它主要利用物质的热胀冷缩原理即根据物 体体积或几何形变与温度的关系进行温度测量 膨胀式温度计包括玻璃液体温度计 双金属 膨胀式温度计和压力式温度计等 最常见的玻璃液体温度计 利用水银 有机液体 酒精或煤油 或汞基合金等液体的热 胀冷缩原理进行温度测量 根据选用感温介质的不同 测量的温度范围一般为 80 600 双金属温度计是由两种线膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的 将其一端固定 由于两种金属膨胀系数不同 当温度变化时 就会引起弯曲变形从而指示温度 使用黄铜和 镍合金制成的温度计最高温度可以达到200 而使用不同成分的镍合金钢其最高温度可以 达到500 压力式温度计也是一种膨胀式温度计 利用压力和温度的关系进行温度测量 按所用介 电量式测温 温度测量方法 接触式测温 非接触式测温 膨胀式测温 辐射式测温 光谱法测温 激光干涉测温 声波 微波法测温 压力式温度计测温 双金属温度计测温 玻璃液体温度计测温 集成芯片测温 半导体测温 铂电阻测温 热电偶测温 接触式光电 热色测温 光导管管测温 光纤测温 示温漆 热像仪测温 多光谱测温 比色式测温 亮度式测温 全辐射测温 光谱吸收法测温 受激荧光光谱测温 瑞利 拉曼散射光谱 CARS测温 激光散斑照相法测温 纹影法测温 干涉仪法测温 激光全息照相法测温 超声波法测温 微波衰减法测温 质不同 分为液体压力式温度计和气体压力式温度计 蒸气压力式温度计 温度测量范围为 200 650 膨胀式温度计结构简单 价格低廉 可直接读数 使用方便 但准确度比较低 不易实 现自动化 而且容易损坏 由于是非电量测量方式 因此可以用于防爆场合 1 1 1 2 电量式测温方法 电量式测温方法主要利用材料的电势 电阻或其它电性能与温度的单值关系进行温度测 量 包括热电偶温度测量 热电阻温度测量 集成芯片温度测量等 热电偶的原理是两种不同材料的金属焊接在一起 当参考端和测量端有温差时 就会产 生热电势 该热电势是温度差的函数 通过测量热电偶产生的热电势 就可以测量温度 但 因为测量的是测量端和参考端的温度差 而一般热电势 温度差的分度表基于参考端为0 因此实际测量中 如果参考端处于室温时 需要进行室温补偿 目前我国标准化的8种热电 偶 测量范围为 200 1800 非标准化的钨铼热电偶在还原气氛下最高使用温度短期可以 到3000 热电偶具有结构简单 响应快 适宜远距离测量和自动控制的特点 应用比较广 泛 热电阻是根据材料的电阻和温度的关系来进行测量的 按照感温元件的材质 可以分为 金属与半导体两类 金属导体有铂 铜 镍 铑铁及铂钴合金等 常见的为铂电阻和铜电阻 温度传感器 半导体有锗 碳和热敏电阻等 铂电阻的使用温度范围为 200 850 铜热 电阻的使用温度范围一般为 50 150 热敏电阻一般可以在 40 350 温度范围内使用 热电阻测量准确度比较高 输出信号大 稳定性好 但元件结构一般比较大 动态响应差 不适宜测量体积狭小和温度瞬变区域 随着电子技术的发展 可以将感温元件和有关的电子线路集成在一个小芯片上 构成一 个小型化 一体化及多功能化的专用集成电路芯片 AD590集成电路温度传感器是一种典型 的集成温度传感器 可以输出一个与温度成线性关系的电压 测量范围可以达到 55 50 近年来发展的DS1820智能温度传感器 采用数字化技术 采用单线接口方式 支持多点组网 功能 在使用中不需要任何外围元件 测温范围为 55 125 1 1 1 3 接触式光电 热色测温方法 接触式光电测温方法主要是指通过接触被测对象 将温度变化引起的热辐射或其他光信 号引出 通过光电转换器件检测其变化从而测量温度的方法 接触式光电测温方法本身使用 辐射或光电原理进行温度测量 但在测量中传感器要和被测对象接触 因此这种测温方法兼 具有两种测量方法的优点和缺点 首先是不像电量式测量方法一样容易受到电磁的干扰 可 以应用在电磁环境下进行温度测量 另外可以避免非接触式辐射温度计那样容易受到被测对 象表面发射率和中间介质的影响 缺点是也会干扰被测对象的温度 带来接触式测温方法引 起的一些误差 光导管式光电高温计适用于高温液体或气体介质的温度测量 将一支底端封闭的耐高温 光导管插入到被测介质中 温度平衡后由光导管传输出的高温辐射 通过高温计后端的光电 转换器件转换为电信号 该电信号与感受的温度单调对应 从而测量出介质的温度 近年来 发展的空腔黑体式光电高温计原理也是如此 但光导管要经过特殊设计做成黑体腔 使其有 效发射率接近1 避免了被测介质的发射率对测温结果的影响 这种高温计测量范围一般为 800 2000 其上限温度主要受光导管材料的限制 对接触式光纤温度传感器 从光纤起的作用可分为两类 一类是利用光纤本身具有的某 种敏感功能而测量温度的 属于功能型传感器 另一类是光纤仅仅起传输光信号的作用 必 须在光纤端面配合其他敏感元件才能实现测量的称为传输型传感器 从信号检测的原理上 分 可分为相干型和强度型两种 相干型光纤传感器检测受温度影响后光纤中光相位和偏振 的变化 因此光路比较复杂 对光器件 光纤的要求比较高 而强度型则检测光强随温度的 变化 结构相对简单 性能可靠 成本较低 基于不同的原理 有很多种光纤温度传感器 可以用在不同的测温场合 后面相关章节中会详细介绍 热色测温方法主要通过示温敏感材料的颜色在不同温度下发生变化来指示温度的 示温 涂料是一些化合物或混合物 能够伴随外界温度的改变而迅速引起其固有颜色的变化 反过 来可以根据其显示的当前颜色来测量温度 根据示温涂料变色后出现颜色的稳定性 可以分 成可逆型示温涂料和不可逆型示温涂料 又可根据涂层随温度变化所出现的颜色的多少分为 单变色示温涂料和多变色示温涂料 示温涂料根据材料的不同 可以覆盖室温到1600 温度 范围 测温误差大约在 10 20 示温涂料可以测量运动物体或其他复杂情况表面的 温度分布 使用简单方便 缺点是影响判别温度结果的因素比较多 如涂层厚度 判读方法 样板和示温颗粒大小等 目前主要还是靠人工判读 1 1 2 非接触测量方法 与接触测温法相比 非接触测温法不需要与被测对象接触 因而不会干扰温度场 动态 响应特性也很好 但是会受到被测对象表面状态或测量介质物性参数的影响 非接触测温方法主要包括辐射式测温 光谱法测温 激光干涉式测温以及声波测温方法 等 1 1 2 1 辐射式测温方法 辐射式测温方法都是建立在热辐射定律基础上的 当实际物体的辐射强度 包括所有波 长或大部分波长 与黑体的辐射强度相等 则黑体的温度称为实际物体的辐射温度 当实际 物体 非黑体 在某一波长下的单色辐射亮度同黑体在同一波长下的单色辐射亮度相等时 则该黑体的温度称为实际物体的亮度温度 当黑体与实际物体 非黑体 在某一光谱区域内 的两个波长下的单色辐射亮度之比相等 则黑体的温度称为实际物体的颜色温度 基于以上 三种表观温度测量方法的高温计分别称为全辐射高温计 亮度式高温计和比色式高温计 不 同结构类型的辐射高温计测量范围不同 目前定型的高温计可以覆盖 50 3200 的温度 范围 全辐射高温计结构相对简单 但受被测对象发射率和中间介质影响比较大 测温偏差较 大 不适用于测量低发射率目标 亮度温度计结构也比较简单 灵敏度比较高 受被测对象 发射率和中间介质影响相对较小 测量的亮度温度与真实温度偏差较小 但也不适用于测量 低发射率物体的温度 并且测量时要避开中间介质的吸收带 比色测温法测量结果最接近真 实温度 并且适用于低发射率物体的温度测量 但结构比较复杂 价格较贵 多光谱测温法是在一个仪器中制成多个光谱通道 利用多个光谱的物体辐射能量信息 经过数据处理得到物体的真实温度和材料光谱发射率 该方法测量准确度高 响应快 受中 间介质影响小 非常适合火焰温度和高温表面温度的测量 红外热成像仪是根据自然界中的一切高于绝对温度的物体都向外辐射红外能量这一自 然现象 利用红外探测器探测目标 背景以及目标各部分之间的红外热辐射温度的差异 并 将此差异进行成像的一种被动式探测仪器 一般热像仪工作在3 5 6 m和8 14 m范围内 测量范围一般在 50 250 高温热像仪经过加滤光片扩展后可达到2000 热像仪除具 有与红外测温仪相同的特点 比如非接触 快速 可以对运动目标和微小目标测温等外 还 具有如下优点 1 可以直观显示物体表面的温度场 2 温度分辨率高 能准确区分更小 的温度差甚至达0 01 以下 3 可采用假彩色显示或数字显示等多种方式显示物体各点的 温度值 可储存数据和进行计算机处理等 方便用户处理 1 1 2 2 光谱方法测温方法 非接触的光谱测温方法主要适用于高温火焰和气流温度的测量 它主要通过检测被测介 质的激发光谱信号进行温度测量 当单色光线照射透明物体时 会发生光的散射现象 散射 光包括弹性散射和非弹性散射 弹性散射中的瑞利散射和非弹性散射的拉曼散射的光强都与 介质的温度有关 相比而言 拉曼散射光谱测温技术的实用性更好 其主要应用之一就是测 量高温气体的温度 由于自发拉曼散射的信号微弱和非相干性 对于许多具有光亮背景和荧光干扰的实际体 系 它的应用受到一定的限制 与自发拉曼光谱相比 受激拉曼散射能大幅度提高测量的信噪 比 常用的方法是相干反斯托克斯拉曼散射 CARS 它可使收集到的有效散射光信号强度比 自发拉曼散射提高好几个数量级 同时还具有方向性强 抗噪声和荧光性能好 脉冲效率高 和所需脉冲输入能量小等优点 适合于含有高浓度颗粒的两相流场非清洁火焰的温度诊断 但是 CARS 法的整套测量装置价格十分昂贵 其信号的处理相当复杂 限制了其使用 受激荧光光谱法是指在入射光的激励下 分子发出的荧光光谱在若干个波长上有较强的 尖峰 这些特征波长的强度是温度的函数 通过测量其特征波长下的绝对强度或者相对强度 或者荧光的驰豫时间 就可以确定被测介质的温度 值得注意的是 这些光谱测量方法结合光纤技术 也可以制成接触式测温传感器 谱线反转法也称自蚀法或谱线隐现法 最常见的是钠 D 线反转法 它的基本原理是在目 标火焰中均匀地加入微量钠盐 产生两条波长为5889 95 和5895 92 的黄色明亮谱线 当背景光源的自然光线照射并通过钠蒸气时 钠线相对于背景光源的连续光谱可能发暗或发 亮 这取决于被测火焰的温度是低于或高于光源的亮度温度 如果钠线在背景的连续光谱中 消失时 光源的亮温就等于火焰的温度 谱线反转法的装置简单 适用于火焰稳定 测量方向 温度梯度不大的场合 由于背景光源亮度变化范围的限制 其测温范围在 800 到 2600 之 间 1 1 2 3 激光干涉测温方法 激光散斑照相法 纹影法和干涉法均是基于光的干涉原理 都适用与高温火焰和气流温 度的测量 基于干涉原理的各种光学方法测量介质的温度场 均可以等效为首先测量介质的 折射率分布 它们的测量原理是将流场中各处折射率的变化 即密度的变化 转变为各种光参 量的变化 记录并处理后可以得到其温度和分布 散斑照相法记录的是偏折位置差 反映的是折射率梯度的变化 即折射率的二阶导数 纹影法记录的是偏折角度差 反映的是折射率的梯度 即折射率的一阶导数 干涉仪法记录 的是光波相位差 反映的是折射率本身 全息干涉法也是基于干涉仪法的原理 不过它不仅记 录物波波前的振幅信息 同时还记录波前的相位信息 既有相位信息又有振幅信息 反映的是 折射率本身和三维流场的立体信息 1 1 2 4 声波 微波法测温方法 声学测温是基于声波在介质中的传播速度与介质温度有关这一基本原理实现的 因此只 要测得声速 就可以推算出温度 可以直接测量声波在被测介质中的传播速度 也可以测量 放在被测介质中的细线的声波传播速度 这种方法可以用于测量高温气体或液体的温度 选 用合适的细线材料 也适用于测量腐蚀性介质的温度 声波法测温在高温时有更高的灵敏度 微波衰减法可以用来测量火焰温度 当入射微波通过火焰时 与火焰中的等离子体相互 作用 使出射的微波强度减弱 通过测量入射微波的衰减程度可以确定火焰气体的温度 1 21 2 热电偶测温 热电偶测温 1 2 1 热电偶测温原理 热电偶测温的基本原理是热电效应 即两种不同的导体 或半导体 两端接合组成回 路 当两个接合点的温度不同时 会在回路内产生热电势 即塞贝克电势 这一现象称为热 电现象 用它进行温度的测量就是依赖所产生热电势与两个接合点温度之间的一定关系而实 现的 塞贝克电势实际上是由汤姆逊电势和珀尔贴电势组成 如果棒状导体两端温度不同 导体内部便有电场产生 从而产生电动势 称为温差电势 又称汤姆逊电势 其大小为棒两 端温度的函数 如果将温度相同的两种金属接在一起 在接点处会产生电动势 此电动势称 为接触电势 又称珀尔帖电势 它的大小由两种金属的特性和接点处的温度所决定 热电偶产生热电势必须具备的两个条件是 热电偶必须用两种不同的热电极构成 热电偶的两接点必须具有不同的温度 在实际用热电偶进行温度测量中 必须在热电偶回路中引入连接导线和测量显示仪表 为进一步掌握热电偶的测温特性 有必要了解下列四个与热电偶相关的基本定律 1 均质回路定律 由一种均质导体组成的闭合回路 不论导体的截面和长度如何以及各处的温度分布如 何 都不能产生热电势 这一定律可应用在以下二个方面 用来检查二根金属是否是相同材料 或检查一种材料的纯度 可检查合金材料在其各段上的均匀性如何 用于测量热电极的均匀性 2 中间导体定律 用热电偶测温时 在测量回路中必须接入显示仪表和连接导线 而这些导线材料和热 电极材料一般是不同的 中间导体定律是指在热电偶回路中 只要中间导体两端温度相同 那么接入中间导体后 对热电偶回路的总热电势没有影响 此定律的用途是 在热电偶回路中接入测量仪表和连接导线时 只要保持二端接点的温度相同 则不 影响热电偶的回路电势 这一点很重要 如果没有这一定律 即使热电偶两端接触处的温度 不同 回路中有电势存在 也无法把它测量出来 也就不能使用热电偶来测量温度了 热电偶两端点温度 无论是用熔焊 熔料焊或其它方法来制成接点 只要焊接点的 大小能使在它上面所有各点的温度相同 制造方法对于热电偶的热电势的大小是没有影响 的 这一点也极为重要 如这一定律不成立 那热电偶的两端点就无法连接 也就不能成为 一个回路 也无法测量温度 3 连接导体定律与中间温度定律 在热电偶回路中如果热电极A B分别与连接导线A B 相接 接点温度分别为T Tn T0 见图1 2 那么回路的热电势将等于热电偶的热电势EAB T Tn 与连接导线A B 在温度Tn T0时热电势EA B Tn T0 的代数和即为 00 TTETTETTTE n BA nABn BABA 1 1 图1 2 用导线连接的热电偶回路 此定律的用途是 在使用热电偶测量温度时 必须将参考端温度维持恒定 否则将会产生难于估计的误 差 在实际测量中 热电偶的测量端是在测量目标处 而参考端也往往在被测物体的附近 这样参考端的温度会受到被测物体的温度变化的影响 不容易稳定 必然给测量带来误差 因此可利用这一定律 在参考端处接入另外二种金属导体 将参考端远离被测物体 使其温 度稳定 不随被测物体的温度而变化 条件是这两种金属热电特性与热电偶的热电特性要一 致 这附加的金属导体就被称为热电偶的补偿导线 4 参考电极定律 如果将热电极C 一般为纯铂丝 作为参考电极 也称标准电极 并已知参考电极与 各种热电极配对时的热电势 那么在相同接点温度电势 T T0 任意两热电极A B配对 后的热电势可按下式求得 000 TTETTETTE BCACAB 1 2 式中 EAB T To 由A B两热电极组成的热电偶 在接点温度为T To时的热电势 EAC T To EBC T To 接点温度在 T To 时热电极A B分别与参数电极C 纯 铂丝 配对时的热电势 由此可见 已知两导体分别与参考电极组成热电偶 就可以根据参考电极定律计算出 该两导体组成热电偶时的热电势 参考电极的使用大大简化了热电偶的选配工作 只要我们 获得有关热电极与标准铂电极配对的热电势 那么任何两种热电极配对时的热电势便可由公 式 1 2 求得 而不需逐个测定 1 2 2 实用热电偶类型 虽然理论上任意两种导体 或半导体 都可以配制成热电偶 但是 并不是所有的材 料都适宜制作热电偶 作为实用的测温元件 对它的要求是多方面的 对热电极材料的主要 要求是 1 配制成的热电偶应有较大的热电势和热电势率 并且其热电势与温度之间最好 呈线性关系或近似线性的单值函数关系 2 能在较宽的温度范围内应用 并且在长期工作后物理化学性能与热电特性都比 较稳定 3 电导率要高 电阻温度系数和比热要小 4 易于复制 工艺性与互换性要好 便于制定统一的分度表 材料要有韧性 焊 接性能好 以便于热电偶的制作 5 资源丰富 价格低廉 按照工业标准化情况来分类 可以分为标准化分度热电偶和非标准化分度热电偶两大 类 所谓标准化是指工艺上比较成熟 应用广泛 能成批生产 性能优良而稳定并有统一标 准的几种热电偶 同一型号的标准化热电偶具有同一的分度表 互换性好 使用起来非常方 便 目前国际化标准分度的热电偶包括S型 R型 B型 K型 N型 E型 J型 T型等八种 但在某些特殊环境中 比如在高温 低温 高真空和核辐照的环境中 某些特别的测 温要求是标准化热电偶难以满足要求的 在这些情况下就要用到非标准化热电偶 非标准化 热电偶无论在使用范围或数量上均不及标准化热电偶 一般没有统一的分度表 但随着实际 需求的变化 多种非标准化热电偶使用范围越来越广 得到了更为广泛的认可 1 2 2 1 铂铑10 铂热电偶 S型 铂铑10 铂热电偶 S型热电偶 为贵金属热电偶 其正极 SP 的名义化学成分为铂 铑合金 其中含铂90 含铑10 负极 SN 为纯铂 它的长期最高使用温度为1300 短 期最高使用温度为1600 S型热电偶在热电偶系列中准确度高 稳定性好 测温温区宽 使用寿命长 它的物理 化学性能良好 热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好 适于氧化 和惰性气氛中 它的不足之处是热电势 热电势率较小 灵敏度低 高温下机械强度差 对 污染很敏感 材料昂贵 1 2 2 2 铂铑13 铂热电偶 R型 铂铑13 铂热电偶 R型热电偶 为贵金属热电偶 其正极 RP 的名义化学成分为铂 铑合金 其中含铂为87 含铑为13 负极 RN 为纯铂 长期使用最高温度为1300 短 期使用最高温度为1600 R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当 国外英 美等国研究发 现R型热电偶的稳定性和复现性比S型热电偶好 R型热电偶不足之处与S型热电偶类似 1 2 2 3 铂铑30 铂铑6热电偶 B型 铂铑30 铂铑6热电偶 B型热电偶 为贵金属热电偶 其正极 BP 的名义化学成分为 铂铑合金 其中含铑量30 负极 BN 也为铂铑合金 含铑量为6 该热电偶长期最高使 用温度为1600 短期最高使用温度为1800 B型热电偶的准确度高 稳定性能好 测温温区宽 使用寿命长 测温上限高 它适用 于氧化性和惰性气氛中 也可短期用于真空中 但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属 蒸气气氛中 B型热电偶的参考端一般不须用补偿导线进行补偿 这是因为在0 50 范围内 其热电势小于3 m B型热电偶不足之处是热电势率更小 灵敏度更低 高温下机械强度下 降 抗污染能力差 贵金属材料昂贵等 1 2 2 4 镍铬 镍硅热电偶 K 型 镍铬 镍硅热电偶 K型热电偶 是目前用量最大的廉金属热电偶 正极 KP 的名义化学成分为 Ni Cr 90 10 负极 KN 的名义化学成分为 Ni Si 97 3 其使用 温度范围为 200 1300 K型热电偶具有线性度好 热电动势较大 灵敏度较高 稳定性和均匀性较好 抗氧化 性能强 价格便宜等优点 能用于氧化性 惰性气氛中 但是它不能直接在高温下用于硫 还原性或还原 氧化交替的气氛中和真空中 1 2 2 5 镍铬硅 镍硅热电偶 N型 镍铬硅 镍硅热电偶 N型热电偶 为廉金属热电偶 是一种最新国际标准化的热电偶 正极 NP 的名义化学成分 Ni Cr Si 84 4 14 2 1 4 负极 NN 的名义化学成分为 Ni Si Mg 95 5 4 4 0 1 其使用温度范围为 200 1300 N型热电偶具有线性度好 热电动势较大 灵敏度较高 稳定性和均匀性较好 抗氧化 性能强 价格便宜 不受短程有序化影响等优点 其综合性能优于K型热电偶 缺点是在高 温下不能直接用于硫 还原性或还原 氧化交替的气氛中和真空中 1 2 2 6 镍铬 铜镍 康铜 热电偶 E型 镍铬 铜镍热电偶 E型热电偶 又称镍铬 康铜热电偶 是一种廉金属热电偶 其正极 EP 为镍铬10合金 化学成分与KP相同 负极 EN 为铜镍合金 名称化学成分为55 铜 45 的镍以及少量的钴 锰 铁等元素 该热电偶的使用温度为 200 900 E型热电偶电动势之大 灵敏度之高属所有热电偶之最 宜制成热电堆 测量微小的温 度变化 对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏 宜于湿度较高的环境 E型热电偶还具有稳定性 好 抗氧化性能优于铜 康铜 铁 康铜热电偶 价格便宜等优点 能用于氧化性 惰性气氛 中 缺点是不能直接在高温下用于硫或其他还原性气氛中 热电均匀性较差 1 2 2 7 铁 铜镍 康铜 热电偶 J型 铁 铜镍热电偶 J型热电偶 又叫铁 康铜热电偶 是一种价格低廉的廉金属热电偶 它的正极 JP 的名义化学成分为纯铁 负极 JN 是铜镍合金 其名义化学成份为55 的 铜和45 的镍以及少量但却十分重要的钴 铁 锰等元素 尽管它也叫康铜 但却不同于镍 铬 康铜和铜 康铜的康铜 故不能用EN或TN来替换 铁 康铜热电偶覆盖测量温区为 210 1200 但常用的温度范围为0 750 J型热电偶线性度好 热电动势较大 灵敏度较高 稳定性和均匀性较好 价格便宜 它可用于真空 氧化 还原和惰性气氛中 但正极铁在高温下氧化较快 故使用温度受到限 制 不能无保护直接在高温下用于硫化气氛中 1 2 2 8 铜 铜镍 康铜 热电偶 T型 铜 铜镍热电偶 T型热电偶 又叫铜 康铜热电偶 是一种最佳的测量低温的廉金属 热电偶 正极 TP 是纯铜 负极 TN 是铜镍合金 它与镍铬 康铜的康铜EN通用 与铁 康铜的康铜JN不能通用 铜 康铜热电偶测量温区为 200 350 T型热电偶具有线性度好 热电动势大 灵敏度高 稳定性和均匀性好 价格便宜等优 点 特别是在 200 0 温区使用 稳定性更好 年稳定性小于 3 v 在低温可作标准进行 低温量值传递 缺点是正极铜在高温下抗氧化性能差 上限温度受到限制 1 2 2 9 其他非标准分度热电偶 1 钨铼系热电偶 钨铼热电偶是在20世纪60 70年代发展起来的难熔金属热电偶 钨铼系热电偶有WRe5 WRe20 W WRe26 WRe3 WRe25 WRe5 WRe26几种 美国ASTM E230 2002标准中已正式将钨铼 5 钨铼26热电偶定为标准分度热电偶 分度号为C 我国目前可以提供商品化的WRe3 WRe25 WRe5 WRe26热电偶 与铂铑等贵金属热电偶相比 钨铼热电偶价格低廉 因此近几年来发展很快 为解决 氧化气氛下的使用问题 抗氧化钨铼热电偶受到了普遍关注 主要是采用热电偶丝材料镀膜 或采用高致密保护套管隔绝等技术 可以延长钨铼热电偶在氧化气氛下的使用时间 在一定 程度上取代铂铑等贵金属热电偶 这将使将使钨铼热电偶得到更广泛的应用 钨铼热电偶使用时要注意以下几点 热电动势 在800 以下 其微分电势随温度的升高而降低 但是在1500 以上 其微分电势均比S型热电偶高 使用温度 它的最高使用温度达2800 但是在高于2300 时 一致性较差 一般 使用在2000 以下 使用气氛 由于钨铼热电偶电极易发生氧化 因此适用于惰性或干燥空气中使用 另外在含碳气氛中易生成稳定的碳化物 会降低其灵敏度并引起脆断 并且在有氢 气存在的情况下 会加速碳化 绝缘与保护套管 为避免高温下因化学反应引起热电动势变化 可采用Y2O3或BN作 绝缘材料 保护管采用氧化钇 Y2O3 管 钨管 钼管 钽管或铌管等 2 铂铑系和铱铑系非标准分度热电偶 由于在航空航天或一些其他领域 需要测量的温度超过了B型热电偶的最高使用温度 而这些场合或需要长时间测量 或需要在氧化气氛下快速测量 提出了用PtRh40 PtRh20或 铱铑热电偶进行测温 在铂铑系热电偶中 PtRh40 PtRh20热电偶稳定性最高 最高使用温 度可达到1850 美国标准局 NBS 给出铱60铑 铱的极限使用温度为2100 铱50铑 铱和 铱40铑 铱热电偶的极限使用温度为2150 但由于铱在氧化气氛中容易被氧化蒸发 因此 在空气中只能短期使用到极限温度 3 非金属热电偶 传统的热电偶材料都是金属或合金制成的 但金属热电偶材料也存在一些缺点如 测 温上限不够 金属在1500 以上一般都和碳起反应 不适用于高温含碳气氛的温度测量 测 量高温的贵金属热电偶价格昂贵等 为克服上述金属材料的缺点 非金属热电偶材料得到了人们的重视 非金属热电偶的 特点有 热电动势和微分电势大 熔点高 测温上限也高 价格低 选用合适的 非金属材料 可制成抗氧化或碳化能力的热电偶 用于恶劣条件下温度测量 其缺点是复现 性差 机械性能差 目前取得进展的非金属热电偶有C TiC ZrB2 NbC SiC SiC SiC ZrB2 NbC ZrC MoSi2 WSi2以及B4C C等 1 2 3 热电偶补偿导线 热电偶补偿导线一般由补偿导线合金丝 绝缘层 护套和屏蔽层组成 它是在一定温 度范围 包括常温 具有与所匹配热电偶的热电动势的标称值相同的一对导线 用它们连接 热电偶和测量装置 以补偿它们与热电偶连接处的温度变化所产生的误差 使用补偿导线的作用包括 1 改善热电偶测温线路的物理性能和机械性能 采用多股 线芯或小直径补偿导线可提高线路的挠性 使接线方便 也可调节线路电阻或屏蔽外界干扰 2 降低测量线路成本 当热电偶与测量装置距离很远时 使用补偿导线可以节省大量热电偶 材料 特别是使用贵金属热电偶时更为明显 热电偶补偿导线分两种 1 延长型补偿导线 其合金的名义化学成分及热电动势标称值与配用的热电偶相同 用字母 X 附在热电偶分度号之后表示 如KX表示K型热电偶用延长型补偿导线 2 补偿型补偿导线 其合金丝的名义化学成分与配用的热电偶不同 但其电动势值 在0 100 或0 200 时与配用热电偶的电动势标称值相同 用字母 C 附在分度号之后表 示 不同合金丝可以应用于同一分度号的热电偶 并用附加字母区别为 KCA KCB 1 31 3 热电阻测温 热电阻测温 1 3 1 热电阻的测温原理 由于金属 半导体等的电阻随温度的变化而变化 这就使得我们有可能利用金属电阻的 变化来测量温度 利用金属 合金或半导体的电阻的变化来测量温度的仪器叫做电阻温度计 电阻温度计使用方便 易于实现自动测量和控制 因此在各个行业和领域中都得到了广泛的 应用 电阻温度计的优点是 准确度高 输出信号大 灵敏度高 测温范围广 稳定性好 不 需要参考温度点 但是抗机械冲击差 元件结构复杂 尺寸较大 热响应时间长 原理上很多金属的电阻率都随温度变化而变化 可以作为电阻温度计的材料 但由于各 方面因素的影响 只有若干种金属适于作电阻温度计的敏感元件 它们应满足以下要求 1 为了达到电阻和温度之间关系稳定 复现性好 要求在使用的温度范围内材料的化 学和物理性质稳定 2 电阻温度系数要大 这样才能有一定的灵敏度 3 电阻率要大 使敏感元件可以小型化 4 电阻与温度必须单值对应 电阻与温度的关系线性要好 5 材料要易于提纯 要能分批复制而不改变其性能 有良好的互换性 经过对大量材料的比较研究 适宜作测温元件的金属有铂 Pt 铜 Cu 镍 Ni 钨 W 等 其中以铂为最好 其次是铜 因为铂具有制造热电阻温度计的很多优点 因此从 ITS 1927 温标以来一直作为内插仪器 在工业上铂电阻的应用也非常广泛 铜的特点是电阻温度系数大 电阻温度关系近似于一条直线 铜易提纯而且价格便宜 因此在工业生产中广泛使用 但是它易氧化 所以只能在低于 150 的温度下无腐蚀的环境 中使用 镍与铜的情况类似 1 3 2 铂热电阻温度计 铂作为热电阻温度计的优点是 1 铂的物理性质和化学性质非常稳定 即使在高温下也不易氧化 除还原性介质外不 与介质作用 2 铂的温度系数大 在 0 100 之间平均温度系数为 3 925 10 3 1左右 3 铂的比阻较大 为 0 0981 mm 2 m 4 铂的电阻与温度关系平滑 可用一个比较简单的方程表示 5 铂易提纯 可达很高的纯度 正因为铂具有制造电阻温度计的很多优点 因此从 1927 年国际温标 ITS 27 以来一直 选用它作为内插仪器 ITS 90 温标选用它作为 13 8033K 961 78 范围的标准内插仪器 铂热电阻温度计一般的使用范围是 200 850 其电阻和温度关系分成两个温度范围 分别描述 对于 200 0 的温度范围 1001 32 0 tCtBtAtRRt 1 3 在 0 850 的温度范围 2 0 1BtAtRRt 1 4 式中 R0 温度为 0 时铂电阻的电阻值 Rt 温度为 t 时铂电阻的电阻值 t 被测温度 A 常数 等于 3 9083 10 3 1 B 常数 等于 5 775 10 7 2 C 常数 等于 4 183 10 12 4 常见的 Pt100 铂电阻在 0 时的标称电阻值为 100 此外国家标准中还有 Pt10 Pt25 实际中使用的 Pt20 Pt50 Pt200 Pt300 Pt500 Pt1000 Pt2000 等 都是根据 0 的标 称电阻值命名的 在工业生产和科研试验研究中大量使用工业铂电阻温度计 IPRT 在我国一般习惯称 为铂热电阻 国外称 RTD 铂热电阻的主要型式有两种 一种是由细铂丝绕制而成 丝的直 径可以小到 0 1mm 然后封装在金属 玻璃或陶瓷保护管内 另一种使用铂制薄膜作为元件 它又有厚 薄膜铂电阻之分 厚膜是将铂墨水印制在氧化铝制的载体上 然后再烧制 随后 表面覆盖一层釉 再次焙烧以在铂元件的表面形成一层坚固的保护膜 它的使用温度不太高 约为 500 另一种薄膜铂电阻是用真空溅射薄膜元件 经过光刻 镀保护膜 焊接引线而 做成适宜于工业化大规模生产 是现在比较常见的工业铂热电阻 1 3 3 铜热电阻 铜热电阻的使用温度范围是 50 150 在此温度范围内铜热电阻与温度的关系为 1001001 2 0 tttttRRt 1 5 式中 常数 等于 4 280 10 3 1 常数 等于 9 31 10 8 2 常数 等于 1 23 10 9 3 铜电阻的优点是 电阻温度系数比较大 高纯度的铜丝容易提炼 并且价格便宜 互换 性好 由于铜在 250 以上易氧化 因此使用温度不能很高 工业上常用的分度号为 Cu50 和 Cu100 1 3 4 低温热电阻 通常金属一旦处于低温 其电阻值将变得很小 在常温附近广泛使用的铂电阻 在 70K 以下时其灵敏度就急剧下降 到 20K 以下时 电阻变得非常小 几乎无法用于温度测量 但是 如果将具有磁矩的原子添加到贵金属中形成合金后 即使处于低温 仍然能保持 较大电阻 利用这种原理制成的铑铁 Rh Fe0 07 电阻温度计在 30K 以下 电阻温度系数 依然很大 尤其适用于 30K 以下直到 1K 的低温测量 由含钴 0 5 的铂钴合金制成的铂钴热 电阻 R0 100 在 20K 附近的灵敏度为 0 13 K 在 4K 附近为 0 15 K 可以作为实用 的温度计 用于低温测量 1 3 5 热敏电阻 热敏电阻是一种半导体热敏感元件 其电阻值一般与温度呈指数变化 与一般的热电阻 热电偶相比较具有明显的特点 电阻温度系数绝对值大 灵敏度高 测量线路简单 甚至不用放大器便可输出几伏的电 压信号 体积小 重量轻 热惯性小 对变化比较快的温度 热容量小及目标小的场合比较适用 电阻值大 引线电阻影响小 适宜于远距离测量 制作简单 寿命长 价格便宜 热敏电阻的缺点是非线性度大 稳定性和复现性差 线性化线路复杂 而且 除高温热 敏电阻外 不能用于 350 以上的高温 随着光导体技术的发展和工艺上的进步 市场上已经有比较高精度 具有互换性的热敏 电阻 而且通过软件进行线性化处理 效果较好 热敏电阻主要由两种以上的过渡族金属 Mn Co Ni Fe 等复合氧化物构成的烧结体组 成 按其温度特性有如下三类 1 负温度系数热敏电阻 NTC 其电阻随温度的升高而降低 具有负的电阻温度系数 其电阻 温度关系为 0 11 exp 0 TT BRR TT 1 6 式中 RT RT0 温度为 T T0时热敏电阻的阻值 B 热敏指数 K 一般 NTC 的使用温度范围为 130 500 高温型的可以到达 1300 短时间内可以达 到 2000 2 正温度系数热敏电阻 PTC 其电阻随温度的升高而增加 并且达到某一温度时 阻值突然变得很大 称为正温度系 数热敏电阻 其电阻 温度关系为 0 exp 0 TTBRR TT 1 7 一般 PTC 的温度范围为 50 150 3 临界温度热敏电阻 CTR 其特点是在某一温度下电阻急剧降低 故称为临界温度热敏电阻 一般使用温度范围为 0 150 使用热敏电阻要注意以下问题 1 为了减小热敏电阻的时效变化 应尽可能避免处于温度急剧变化的环境 2 测量时施加电流要注意 避免过电流破坏热敏电阻 由于热敏电阻体积小 但 电阻值高 因此测量时的自热效应会产生较大影响 在测量时要注意使用小的 测量电流 3 由于热敏电阻的一致性较差 因此在使用时要考虑互换性 由于热敏电阻的标称阻值较大 因此 与铂 铜电阻不同 即使采用两线制引线 其引 线电阻的影响可以不考虑 1 41 4 辐射测温方法 辐射测温方法 1 4 11 4 1 辐射测温的原理 辐射测温的原理 1 4 1 11 4 1 1 黑体辐射定律 黑体辐射定律 辐射测温主要依据黑体辐射 其定量描述是黑体辐射定律 它们主要包括普朗克 Planck 定律 维恩 Wein 位移定律和斯蒂芬 玻尔兹曼 Stefan Boltzman 定律 1 1 普朗克定律 普朗克定律 1900 年普朗克利用量子统计理论推导出黑体在波长间隔 d 内的辐射出度的具 体函数形式 d e c dM Tc 1 2 5 10 1 8 式中 c1 第一辐射常数 3 741 8 10 16w m2 c2 第二辐射常数 1 438 8 10 2m K 波长 m T 黑体的热力学温度 K 由此 黑体的单色辐射出度为 1 2 5 1 0 Tc T e c M 1 9 式 1 9 是普朗克定律的一般表达式 它准确地描述出黑体的辐射能力与波长以及温度之 间的关系 普朗克函数在不同温度下按波长分布的曲线示于图 1 3 图 1 3 普朗克函数在不同温度下按波长的分布 在低温与高频 短波 的情况下 即 c2 T 1 时 普朗克公式可用函数形式比较简单 的维恩 Wein 近似公式所替代 其函数形式为 Tc T e c M 2 5 1 0 1 10 在非常实用的温度 T 3000K 和波长 0 8 m 范围内 能很好地满足 c2 T 1 的条件 因此可以用维恩近似公式来取代普朗克公式 由于维恩近似式的实用性和简便性 因而它在辐射测温中得到了较为广泛的应用 普朗克定律是最基本的黑体辐射定律 由它可以推导出其它的黑体辐射定律来 2 2 维恩位移定律 维恩位移定律 普朗克定律表明 在一定的温度下 黑体的单色辐射出度是波长的单值函数 因此 必 然存在着一个最大值 它所对应的波长 即峰值波长 是一个确定值 m 令该函数的一阶导 数为零 即 0 0 d dM T 1 11 可以得到 KmbT m 8 2897 1 12 式 1 12 是维恩位移定律的数学表达式 它说明 黑体辐射光谱曲线的峰值波长 m与温 度T的乘积是一个确定的常数 维恩位移定律指出 温度为T的黑体在波长 b T处的单位波长间隔内具有最大的辐射 本领 而随着温度的升高 最大光谱辐射出度所对应的波长位置 即峰值波长 则往短波方 向移动 这就是 位移 二字的物理意义 根据式 1 12 的计算结果 黑体温度在 3600K 以 下 其峰值波长总处于红外区域 而温度升至 4000K 则 m就落到红光范围 约 0 72 m 当温度达到 7250K 以上 m才会到达紫外区域 相应地 可以计算黑体的最大单色出度 50 KTM T m 1 13 式中 K 常数 式 1 13 是维恩位移定律的一个重要推论 该式表明 黑体的最大辐射本领与温度的 五次方成正比 因此 黑体的单色辐射出度随着黑体温度的升高而急剧增大 亮度测温技术 就是根据这一原理 通过对黑体单色辐射的测量来准确地测定其温度 在辐射测温中 应该考虑到黑体在被测温度下的光谱区域 以选择合适的单色元件和探 测器 此外 在发射率测量中 选择黑体最具代表性的光谱区域也是十分重要的 3 3 斯蒂芬 玻耳兹曼定律 斯蒂芬 玻耳兹曼定律 这条定律首先是由斯蒂芬于 1879 年在实验中发现的 而玻耳兹曼则于 1884 年利用经典 热力学理论进行了证明 斯蒂芬 玻耳兹曼定律建立了黑体的辐射出度与温度之间的定量关系 它的数学表达式 为 40 TM 1 14 式中 斯蒂芬 玻耳兹曼常数 等于 5 670 32 10 8 W m 2 K 4 该定律指出 黑体的辐射出度正比于它的绝对温度的四次方 这一结论不仅对黑体是正确的 而且对于任何实际物体也是成立的 实际物体的辐射出 度为 4 TM 1 15 这说明 任何辐射物体的辐射出度总是与它的温度的四次方成正比 例如 物体的表面 温度升高 10 倍 则其辐射出度将提高 10 4倍 利用这一特性 可以通过测量物体的辐射出 度来准确地确定该物体的温度 这就是全辐射测温的基本原理 如辐射物体的温度为T1 周围温度为T2 且T1 T2时 该物体本身的辐射出度为 T1 4 而吸收的部分则为 T2 4 因此辐射物体净的辐射出度 M为 4 2 4 1 TTM 1 16 除非T1 T2 否则处于室温条件下的周围物体对辐射物体的辐射是不能忽略不计的 在 辐射测温中 忽视周围物体对辐射物体的能量发射 或是说忽视辐射物体对周围物体辐射的 能量吸收将会导致相当大的误差 1 4 1 21 4 1 2 表观温度 表观温度 具有热辐射A的物体决不限于某一实际物体 具有不同光谱发射率的实际物体都有可能 在同一波长下发出相同的热辐射A 因而必然会出现下式 L 3 0 32 0 21 0 1 TLTLTLA 1 17 由此可知 同一热辐射可以对应于许多不同温度 1 T 2 T 3 T 换句话说 一定量 的热辐射具有温度的无限解 所以 确定物体的热辐射并不一定能确定该物体的真实温度 为了解决这个困难 在辐射测温学中引入了新的概念 即表观温度的概念 只有这样 才能在物体的发射率为未知的情况下把实际物体的温度测量同黑体辐射定律直接联系起来 在辐射测温学中 表现温度包括亮度温度 辐射温度和颜色温度 1 1 亮度温度 亮度温度 当实际物体 非黑体 在某一波长下的单色辐射亮度同黑体在同一波长下的单色辐射亮 度相等时 则该黑体的温度称为实际物体的亮度温度 此定义的数学表述式为 00 s TTT LL 1 18 式中 Ts 为黑体的温度 即实际物体的亮度温度 K T 为实际物体的真实温度 K 用普朗克公式代入式 1 18 并简化 则得 T Tc Tc e e s 1 1 1 2 2 1 19 用维恩近似公式代入式 1 19 并简化 则得 Ts cTT 1 ln 11 2 1 20 式 1 19 和式 1 20 都是辐射测温学中常用的基本公式 它们通过光谱发射率 T 与波长 把实际物体的真实温度T与其亮度温度Ts联系了起来 由于 T 总是小于 1 的正数 即式 1 19 和式 1 20 的右侧均为正数 因此可以得 出如下结论 实际物体的亮度温度永远小于它的真实温度 即Ts恒小于T 亮度温度的修正 量总是正值 光谱发射率愈小 亮度温度偏离真实温度愈大 反之 光谱发射率愈接近于 1 则亮度温度愈接近于真实温度 若 T 保持恒定 则物体的亮度温度对真实温度的偏离随着波长 的增大而增大 若物 体的真实温度保持恒定 则亮度温度随着波长的增大而减小 在实际测温中 物体的真实温度总是一个确定的量 因此亮度温度成为一个与波长相联 系的量 也就是说 亮度温度的数值与所取的波长有关 未注明对应波长的亮度温度值是没 有确切意义的 引入亮度温度的概念后 只要波长为一定 则同一热辐射只能对应于一个亮度温度值 即存在着对应于相同热辐射的温度唯一解 2 2 辐射温度 辐射温度 如实际物体的辐射亮度 包括所有波长 与黑体的辐射亮度相等 则黑体的温度称为实 际物体的辐射温度 该定义的数学表达式为 P TLTL 0 1 21 或 44 P TT 1 22 式中 TP 为实际物体的辐射温度 单位为 为该物体的全波发射率或总发射率 式 1 22 简化后 得 41 TTP 1 23 该式表明了辐射温度与真实温度之间的关系 对于任何物体 它们的全波发射率总是小于 1 的正数 因此 由式 1 23 可以看出 辐射温度总是小于真实温度 即TTP 愈接近于 1 物体的辐射温度愈接近其真实温度 在 的情况下 辐射温度对真实温度的偏离要比亮度温度对真实温度的偏离大得多 一 般来说 实际物体的光谱发射率 值要比